半導體光電探測器晶片結構的製作方法

2024-02-29 18:47:15 1

專利名稱：半導體光電探測器晶片結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電子器件領域，尤其涉及一種半導體光電探測器晶片結構。
背景技術：
現今國內外光纖通信正朝著髙速率、網絡化和集成化的方向發展。針
對將來的髙度信息化社會的需求，繼傳輸容量為2.5Gb/s系統的實用後， 10Gb/s系統也巳經投入商用。目前40Gb/s系統也開始提上議程。與此相應， 作為光通信系統所必要的超髙速、高靈敏度的光光電探測器件也有了顯著 的進展。
光纖通信中最常用的半導體光電探測器主耍是光電二極體(PIN)和雪 崩光電二極體(APD)，兩種結構各有其自身的特點和優勢。其屮PIN結構 簡單，工藝實現上容易，而且穩定性髙，而APD結構則由於其內部會發生 碰撞電離形成內增益，它比傳統的光電二極體(PIN)的靈敏度要優8 — 9dBm，因此APD也被廣泛的應用在高速的光纖通信系統中。
從傳統光通信的2.5Gbil/s的傳輸速率，到目前40Gbit/s傳輸速率提上 課題，髙速光通信系統對光電探測器的要求越來越髙。圍繞著對器件高帶 寬、低噪聲等性能要求，研究人員從各方面對髙性能光電探測器晶片的設 計展開了廣泛的研究。與傳統的PN結光電二極體相比，PIN二極體引入了 摻雜少的本徵層作為耗盡層，其吸收光子的機會和電容的大小都可以通過 本徵層厚度的大小來控制，從而大大提高了器件設計的靈活性，而且在性
能方面PIN 二極體也優於PN結光電二極體。
目前光通信波段常用的材料是以N型的InP為襯底，然後在襯底上依 次生長一定厚度的InGaAs和P型的InP層，通過外加偏置電壓，讓高電場 均勻的落在本徵區域。當雷射照射PIN 二極體時，大部分光子在本徵區域 裡面被強烈的吸收，並在偏置的電場下光生電子和空穴往兩個電極的方向 擴展。該結構的特點在於，它可以通過本徵層厚度的大小來控制電容，頻 率響應，和響應度。當本徵層厚度縮小，其光生載流子在器件裡面漂移的 時間就會變小，從而可以提髙器件的響應速度，最終提高帶寬性能。但另 一力'面，縮小厚度就會使電容變大，響應度變小，減低器件的性能。目前 對於髙速PIN 二極體的研究集中在如何在保持器件厚度小的前提下，能夠 綜合解決響應度小，電容大的問題。富士通等公司的一些結構正是基於這 樣的思路，這些結構中釆用了平面的結構，並且讓雷射從側面入射到本徵 層中，這樣一方面在側向增加了對入射光的吸收，同時在垂直方向上乂減 少了載流子的渡越時間。這兩方面的結果增大了器件的響應度又提高的帶 寬的響應。另外也可以通過減少結的接觸面積和外部電路的設計來減少電 容。然而，這些在工藝實現上比較複雜，需要生長波導把雷射引到吸收層 和複雜的外部電路設計，大大增加了工藝的難度。因此如何設計一種結構 既能使器件有良好的帶寬特性，又能保證一定的響應度，並且在工藝實現 過程中相對簡單的PIN 二極體晶片結構是目前研究熱點。
在APD晶片結構的研究上，目前商用的APD晶片結構大部分都是採 用了分層的結構，即分開緩衝、倍增、吸收層結構(SCAM)，該結構的特 點在於晶片的各層完成不同的功能，如吸收層負責把入射的光子轉化成200710031793.3
說明書第3/ll頁
電子和空穴，倍增層負責電子和空穴的倍增；並且該結構可以通過不同層 的摻雜濃度的控制，使電場大部分都落在倍增區，有利於電子和空穴在倍 增層倍增，在其他層中傳輸。這種SCAM結構的APD具有良好的帶寬特性， 目前報導過最高的增益帶寬積為320GHz。傳統的提高APD帶寬的方法主 要集中在如何減少晶片倍增層、吸收層的厚度。厚度減少了，電子和空穴 在晶片裡面運動的時間相應的減少了，既提高了晶片的響應的速度，從而 提高了帶寬。研究表明在40G以上響應帶寬的APD晶片結構中，晶片的倍 增層大都控制在100nm左右，如果厚度再小，如小於80nm，隧穿效應就開 始發生，使器件的漏電流大大增加，嚴重影響器件的性能。另一方面吸收 層的厚度還跟器件的響應度有直接的聯繫，如果厚度太薄了，就會使晶片 對光的吸收不充分，從而使響應度大大降低。目前高速APD的設計思路大 都是集中在如何設計外部的結構使器件在晶片厚度薄的情況下有更好的性 能。如NEC公司報導的側面入光的APD結構，該結構利用光波導把光從 側面直接引入到吸收層中，使入射的光充分的跟吸收層面接觸吸收，以此 來達到減少吸收層厚度仍然能保持高的響應度的目的。三菱公司報導的 APD結構中，通過製作分布式布拉格反射層(DBR)形成的諧振腔使入射 的光能通過反覆的反射達到充分吸收的目的，這樣也可以在保證響應度的 前提下減少吸收層的厚度以此來提高帶寬的特性。另一種提高APD性能的 設計思路是利用異質結的特性——碰撞電離在空間的分布局域化，在晶片 生長的過程中，在倍增層上面生長量子阱結構。研究表明這種結構的晶片 不僅使APD有更好的噪聲特性，而且對帶寬也有明顯的改善。傳統的設計 思路均要求比較精細的工藝過程，特別是當倍增層的厚度在100nm左右，
如何在器件的側向或者各層中間生長各種特殊的結構對晶片工藝流程的控 制提出了很苛刻的要求。另一方面，傳統的思路局限在減少晶片的厚度上， 但是當晶片的尺寸小到一定程度的時候，量子效應將會明顯，如隧穿效應， 這些效應將會導致晶片性能大大的降低。所以如何能使晶片的尺寸維持在 一定的範圍，又能達到提髙帶寬的目的將會是一個比較迫切需要解決的難
PIN二極體與APD在結構的設計上，通常都有兩種方案， 一是臺面結 構(mesa-type), 二是平面結構(planar-type),其中臺面型結構二極體具有 製作簡單、可重複製作等優點；與臺面型結構的二極體相比，由於平面型 結構的二極體將PN結掩埋在體內，它具有更低的暗電流和更高的穩定性， 但在工藝實現上卻複雜得多。不論是臺面結構還是平面結構的二極體在電 極的設計上，都會碰到如何有效解決電極大小和寄生電容大小的矛盾問題 如果電極設計大了，寄生電容會增加，並會對器件的性能起重要的負面影 響；如果電極設計小了，則在設計外部電路，如製作焊點，打引線的時候 會出現焊點不牢固的問題，導致器件穩定性不好。在這方面的研究上，富 士通等公司的方案是在製作的小電極上，通過設計空氣橋把電極引到附近 大的焊點上再製作外部的焊接，這樣可以避免上述出現的矛盾。但是空氣 橋的設計又給設計和工藝生長帶來比較大的麻煩。因此如何設計一種結構， 能解決電極大小和寄生電容的矛盾，又能有效的保持器件的穩定性是半導 體光電管工藝設計生產中急霈解決的又一難題。
光電探測器晶片的設計既要使晶片擁有良好的帶寬、噪聲等特性，又 要使其有良好的穩定性。傳統的設計方案，需要生長納米數量級的材料結
構，設計生長導光波導和設計外圍電路等複製的工藝過程，而這些工藝過 程對於小尺寸的晶片來講，生長過程存在較大的難度。因此如何設計一個 光電探測器晶片即要使它有好的帶寬特性，又能夠具有良好的穩定性是一 個十分重要的研究課題。

發明內容
本發明提出了一種能有效降低器件的電容、具有良好穩定性且工藝簡 單的半導休光電探測器晶片結構。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案
一種半導體光電探測器晶片結構，包括襯底、層疊於襯底上的吸收層 及層疊於襯底下的N型電極，部分的吸收層上形成有P型重摻雜層，P型 重摻雜層上設置有P型電極，且P型重摻雜層上還形成有一入射光窗口， 其中，P型重摻雜層的四周填充有絕緣材料層，且P型電極延伸至絕緣材料 層的表面，並覆蓋在絕緣材料層的表面上。
P型重摻雜層與部分的吸收層之間還形成有一倍增層。倍增層使電子 和空穴的倍增，並且該結構可以通過其他不同層的摻雜濃度的控制，使電 場大部分都落在倍增區，有利於電子和空穴在倍增層倍增，在其他層中傳 輸。
絕緣材料層與吸收層之間還形成有一本徵層。
襯底與吸收層之間形成有布拉格反射層。通過布拉格反射層所形成的 諧振腔使入射的光能通過此結構的反覆反射達到充分吸收的目的，這樣也 可以在保證響應度的前提下減少吸收層的厚度以此來提高帶寬的特性。
布拉格反射層的光學厚度為;i/4, x為入射光的波長。
為了提高入射光的利用率，入射光窗口上還形成有一層抗反射的金屬膜。
襯底為磷化銦或砷化鎵中的一種材料，吸收層為砷化鎵銦、摻氮的砷 化鎵銦或氮化鎵中的任何一種材料，P型重摻雜層為磷化銦或砷化鎵中的一 種材料，絕緣材料層為聚醯亞胺、聚醚醚酮或聚苯硫醚中的任何一種材料。 倍增層為磷化銦、砷化鋁銦、砷化鎵鋁或氮化鎵中的任意一種材料。 另外，本發明還提供了另一種半導體光電探測器晶片結構，包括襯底、
層疊於襯底上的吸收層及層疊於襯底下的N型電極，部分的吸收層上形成 有P型重摻雜層，P型重摻雜層上設置有P型電極，且N型電極及襯底刻 蝕形成有一入射光窗口，其中，P型重摻雜層的四周填充有絕緣材料層，P 型重摻雜層上覆蓋有P型電極。
本發明利用在P型重摻雜層的四周填充絕緣材料層，並在其上製作與 其具有較大面積接觸的電極，這樣一來， 一方面由於絕緣材料層的介電常 數比半導體材料的介電常數低很多，填充絕緣材料層會使晶片整體的介電 常數減少，即減少了晶片的電容，從而提高了晶片的帶寬；另一方面，由 於絕緣材料層是具有絕緣的特性，在其上面製作大電極，使得電極與晶片 的焊接面積更大，焊接更為牢固，且不會產生大的寄生電容，同時用它來 做填充材料使晶片的內部結構與外界環境隔絕開，使晶片的穩定性大大提高。
同時，該晶片結構不需要複雜的工藝即能製成，該晶片結構也不需要 在晶片上製作特殊的結構，如量子阱等，工藝實現流程簡單很多。該晶片 結構的設計，不會過多的強調減少晶片尺寸來提高帶寬，為高帶寬的光電
探測器晶片結構的設計提出了一條新穎的思路。


圖1為傳統的半導體光電探測器晶片結構示意圖2為本發明實施例1的半導休光電探測器晶片結構示意圖3為本發明實施例2的半導體光電探測器晶片結構示意圖;.
圖4為本發明實施例3的半導體光電探測器晶片結構示意圖5為本發明實施例4的半導體光電探測器晶片結構示意圖6為本發明實施例4的半導體光電探測器晶片結構示意圖7為本發明實施例5的半導體光電探測器晶片結構示意圖。
上述圖中，1為N型電極接地端，2為N型電極，3為襯底，4為吸收
層，5為倍增層，6為填充材料，7為P型電極，8為P型電極，9為P型
重摻雜區，IO為填充材料，11為布拉格放射鏡(DBR)結構，12為本徵層，
13為SiNx絕緣材料。
具體實施例方式
如圖1所示，傳統的半導休光電探測器晶片結構包括襯底1、依次生長 於襯底1上的吸收層2和本徵層3，在本徵層3內通過擴散形成P型重摻雜 層4，並在其上形成一個入射光窗口5，在P型重摻雜層4引出來P型電極 6，在襯底1下表面形成N型電極7。
以下結合附圖對本發明做進一步的說明。 實施例1
如圖2所示，本發明的一種半導體光電探測器晶片結構，包括襯底ll、 層疊於襯底11上的吸收層12及層疊於襯底11下的N型電極17，部分的
吸收層12上形成有P型重摻雜層14， P型重摻雜層14上設置有P型電極 16,且P型重摻雜層14上還形成有一入射光窗口 15，其中，P型重摻雜層 14的四周填充有絕緣材料層18，且P型電極16延伸至絕緣材料層18的表 面，並覆蓋在絕緣材料層18的表面上。
為了提高入射光的利用率，入射光窗口 15上還形成有一層抗反射的 金屬膜。
在本實施例中，襯底ll為InP材料，吸收層12為InGaAs材料，P型 重摻雜層14為InP材料，絕緣材料層18為聚醯亞胺。當然，除此之外，襯 底11還可以為GaAs材料，吸收層12還可以為摻N的InGaAs材料或GaN， P型重摻雜層14還可以為GaAs材料，絕緣材料層18還可為聚醚醚酮或聚 苯硫醚材料。
本實施例中，在該半導體光電探測器晶片結構的工藝實現的過程中， 首先利用金屬有機化學氣相澱積(MOCVD)的技術在N型的InP襯底11上 依次生長晶格匹配的InGaAs吸收層12、 InP本徵層。
再通過擴散工藝，在上述InP本徵層上形成一個P型重摻雜層14，在 P型重摻雜層14上形成一入射光窗口 15，並在入射光窗口 15上蒸鍍一層 抗反射的金屬膜。
接著在光刻膠的保護下，利用光刻技術將P型重摻雜層14四周的材 料刻蝕掉，並控制刻蝕的條件使其刻蝕深度達到吸收層12,使晶片形成臺 狀結構。
然後在刻蝕掉的空間上填充低介電常數的絕緣材料層18，填平臺狀結 構使之重新成為平面結構。
最後在襯底11下表面製作N型電極17，在P型重摻雜層14上引出P 型電極16，並延伸至絕緣材料層18上表面，並覆蓋在絕緣材料層18的表 面上，與絕緣材料層18形成較大面積的接觸。 實施例2
為了使電子和空穴的數量倍增，本實施例在實施例1的結構上，即在P 型重摻雜層14與吸收層12之間還形成有一倍增層19，如圖3所示。該結 構可以通過其他不同層的摻雜濃度的控制，使電場大部分都落在倍增區， 有利於電子和空穴的數量在倍增層19中倍增，而其.他層中傳輸。 實施例3
為了更充分地吸收入射光，本實施例在實施例1或實施例2的結構上， 在襯底11與吸收層12之間進一步形成布拉格反射層20,如圖4所示。
通過布拉格反射層20所形成的諧振腔，使入射的光通過此結構時，能 被反覆反射，並達到充分吸收的目的。這樣也可以在保證高的響應度的前 提下，減少吸收層的厚度以此來提高帶寬的特性。
本實施例中，布拉格反射層20的光學厚度為A/4,其中，X為入射光 的波長。 實施例4
本實施例與實施例1的結構相似，其區別在於絕緣材料層18與吸收 層12之間還形成有一本徵層13。
如圖5所示，本實施例所提供的半導體光電探測器晶片結構的工藝實 現時，首先利用金屬有機化學氣相澱積(MOCVD)的技術在N型的InP襯底 11上依次生長晶格匹配的InGaAs吸收層12、 InP本徵層13。
再通過擴散工藝，在本徵層13上形成一個P型重摻雜層14,並形成一 入射光窗口 15。
接著在本徵層13的一側上填充絕緣材料層18，填充厚度可根據對晶片 電容的需求而確定，並在本徵層13的另一側蒸鍍SiNx絕緣材料21。
最後在襯底11下表面製作N型電極17，在P型重摻雜層14引出P型 電極16，並延伸至絕緣材料層18上表面，並覆蓋在絕緣材料層18的表面 上，與絕緣材料層18形成較大面積的接觸。
當然，上述工藝中，在填充絕緣材料層18時，也可在光刻膠的保護下, 利用光刻技術將P型重摻雜層14四周的本徵層材料刻蝕掉一部分，並控制 刻蝕的條件使其刻蝕深度達到本徵層內部，或者直接刻蝕到襯底11上，如 圖6所示，使晶片形成臺狀結構，並在刻蝕的空間上填充絕緣材料層18。 實施例5
本實施例提供了另一種半導體光電探測器晶片結構，如圖7所示，其 包括襯底11、層疊於襯底11上的吸收層12及層疊於襯底11下的N型電極 17，部分的吸收層12上形成有P型重摻雜層14, P型重摻雜層14上設置 有P型電極16，且N型電極17及襯底11刻蝕形成有一入射光窗口 15，其 中，P型重摻雜層14的四周填充有絕緣材料層18， P型重摻雜層14上覆蓋 有P型電極16。
與實施例1的正面入射光型的半導體光電探測器晶片結構有所不同， 本實施例是背面入射光型的半導休光電探測器晶片結構，其實現的工藝步 驟與實施例l相似，不同的是P型電極16覆蓋在P型重摻雜層14上，並 與其形成較大面積的接觸，而N型電極17及襯底11被刻蝕形成一入射光
窗口15，使入射光從晶片背面入射。
當然，除了上述的正而入射光型、背面入射光型的半導體光電探測器 晶片結構之外，還可以釆用側面入射光型的半導體光電探測器晶片結構， 其同樣是利用在P型重摻雜層的四周填充絕緣材料層，並在其上製作與其 具有較大面積接觸的電極，使得在電極與晶片的焊接面積更大，烀接更為 牢固的同時，能有效減少晶片的電容。
權利要求
1、一種半導體光電探測器晶片結構，包括襯底、層疊於襯底上的吸收層及層疊於襯底下的N型電極，部分的吸收層上形成有P型重摻雜層，P型重摻雜層上設置有P型電極，且P型重摻雜層上還形成有一入射光窗口，其特徵在於P型重摻雜層的四周填充有絕緣材料層，且P型電極延伸至絕緣材料層的表面，並覆蓋在絕緣材料層的表面上。
2、 如權利要求1所述的半導體光電探測器晶片結構，其特徵在於P 型重摻雜層與部分的吸收層之間還形成有一倍增層。
3、 如權利要求1所述的半導體光電探測器晶片結構，其特徵在於 絕緣材料層與吸收層之間還形成有一本徵層。
4、 如權利要求1所述的半導體光電探測器晶片結構，其特徵在於:. 襯底與吸收層之間形成有布拉格反射層。
5、 如權利要求4所述的半導體光電探測器晶片結構，其特徵在於布拉格反射層的光學厚度為;i/4,人為入射光的波長。
6、 如權利要求1所述的半導體光電探測器晶片結構，其特徵在於 入射光窗口上還形成有一層抗反射的金屬膜。
7、 如權利要求1所述的半導體光電探測器晶片結構，其特徵在於 襯底為磷化銦或砷化鎵中的一種材料，吸收層為砷化鎵銦、摻氮的砷化鎵 銦或氮化鎵中的任何一種材料，P型重摻雜層為磷化銦或砷化鎵中的一種材 料，絕緣材料層為聚醯亞胺、聚醚醚酮或聚苯硫醚中的任何一種材料。
8、 如權利要求2所述的半導體光電探測器晶片結構，其特徵在於 倍增層為磷化銦、砷化鋁銦、砷化鎵鋁或氮化鎵中的任意一種材料。
9、 一種半導體光電探測器晶片結構，包括襯底、層疊於襯底上的吸 收層及層疊於襯底下的N型電極，部分的吸收層上形成有P型重摻雜層，P 型重摻雜層上設置有P型電極，且N型電極及襯底刻蝕形成有一入射光窗 口，其特徵在於P型重摻雜層的四周填充有絕緣材料層，P型重摻雜層上 覆蓋有P型電極。
全文摘要
本發明公開了一種半導體光電探測器晶片結構，包括襯底、層疊於襯底上的吸收層及層疊於襯底下的N型電極，部分的吸收層上形成有P型重摻雜層，P型重摻雜層上設置有P型電極，且P型重摻雜層上還形成有一入射光窗口，其中，P型重摻雜層的四周填充有絕緣材料層，且P型電極延伸至絕緣材料層的表面，並覆蓋在絕緣材料層的表面上。本發明能有效降低器件的電容、具有良好的穩定性且工藝簡單。
文檔編號H01L31/102GK101183691SQ20071003179
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月30日 優先權日2007年11月30日
發明者鋼 王, 陳詩育 申請人:中山大學